地面效應(yīng)對(duì)反推狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)影響數(shù)值研究

周凱，王志強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增加，風(fēng)扇流量大幅度增加[2]，引起反推力裝置流通面積增加，增大反推力裝置軸向尺寸，縮短了反推力裝置與地面距離，加劇了反推氣流與地面相互作用。

地面應(yīng)該模擬成一個(gè)以自由流速度移動(dòng)的地板，當(dāng)?shù)匕逡苿?dòng)速度達(dá)到自由流速度時(shí)可消除固定地面產(chǎn)生的邊界層影響。2005年G. H. Hegen利用帶有移動(dòng)帶的DNW-LLF風(fēng)洞對(duì)TPS模型開(kāi)展不同滑跑速度下地面效應(yīng)對(duì)反推氣流重吸入的影響。有無(wú)移動(dòng)帶地板風(fēng)洞試驗(yàn)示意圖如圖1所示。國(guó)內(nèi)反推力裝置性能試驗(yàn)大都在帶有固定地板的風(fēng)洞測(cè)試，對(duì)地面效應(yīng)影響的研究較少[3-5]。

圖1 有無(wú)移動(dòng)帶地板風(fēng)洞試驗(yàn)示意圖

本文針對(duì)某大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化模型，開(kāi)展著陸滑跑狀態(tài)下反推氣流流場(chǎng)的數(shù)值研究，分析不同滑跑速度下地面效應(yīng)對(duì)反推狀態(tài)下大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)畸變影響。

1 建模與網(wǎng)格劃分

本文研究對(duì)象為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)1∶1全尺寸模型。主要由發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、吊架、進(jìn)氣錐、內(nèi)涵噴管和葉柵式反推裝置組成，如圖2所示。

圖2 計(jì)算對(duì)象示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)外建立了半圓柱外流區(qū)域，如圖3(a)所示。發(fā)動(dòng)機(jī)中軸線(xiàn)距離地面為H，發(fā)動(dòng)機(jī)直徑D(此時(shí)H/D約為2)，發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)。計(jì)算域半徑為14D，計(jì)算域長(zhǎng)度取為發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度L的10倍，計(jì)算域進(jìn)口距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口約為5.5L。

采用ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，外流場(chǎng)流域最大網(wǎng)格尺度為1024mm，在流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)周?chē)桶l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道附近設(shè)置雙加密區(qū)，如圖3(b)所示，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣唇口區(qū)域最大網(wǎng)格尺度為16mm，并在壁面設(shè)置了10層邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格為0.2mm，延展比為1.2。反推力裝置域相對(duì)尺寸較小，最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為32mm(圖3(c))，其中葉柵區(qū)面網(wǎng)格最大尺寸為2mm(圖3(d))，并在外流域與反推力裝置內(nèi)域交界處反推氣流出口設(shè)置相同網(wǎng)格參數(shù)，最后生成網(wǎng)格單元約為2100萬(wàn)(elements)，記為Grid_2100萬(wàn)。通過(guò)合理改變上述網(wǎng)格參數(shù)，共生成4套網(wǎng)格分別為Grid_1000萬(wàn)、Grid_1600萬(wàn)、Grid_2100萬(wàn)、Grid_5500萬(wàn)。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法

本文數(shù)值模擬采用ANASYS CFX軟件。為了驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的可靠性和所采用網(wǎng)格密度、湍流模型的合理性，首先對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的5個(gè)不同狀態(tài)點(diǎn)開(kāi)展反推氣流流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證本文采用的數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。

計(jì)算時(shí)的邊界條件給定如圖4所示：外流域主要由遠(yuǎn)場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)口、遠(yuǎn)場(chǎng)出口以及地面邊界組成，在驗(yàn)證數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確性計(jì)算中三遠(yuǎn)場(chǎng)為開(kāi)放邊界，給定試驗(yàn)記錄的環(huán)境大氣總溫、總壓；外流域的下邊界為無(wú)滑移壁面，用于模擬試驗(yàn)中固定地面；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面設(shè)定為質(zhì)量流量速率出口；發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵噴管進(jìn)口和反推力裝置進(jìn)口為計(jì)算域的進(jìn)口邊界，給定相應(yīng)試驗(yàn)狀態(tài)下的總溫、總壓。

師：拆開(kāi)容易，拼裝難呀！同學(xué)們能把拆開(kāi)的魔方裝回去嗎？（生紛紛響應(yīng)）現(xiàn)在就來(lái)比一比誰(shuí)拼得快，完成的同學(xué)老師給他戴上一個(gè)皇冠。

圖4 邊界條件示意圖

2.2 網(wǎng)格密度和湍流模型選定

國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)反推氣流流場(chǎng)數(shù)值模擬研究。DE Andrade F O等人[6-10]分別選用k-ω、SST、k-ε湍流模型對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)反推擾流流場(chǎng)展開(kāi)了數(shù)值模擬研究。

從上述研究可以看出，反推流場(chǎng)數(shù)值模擬方法仍存在以下問(wèn)題：第一，湍流模型的選定仍是關(guān)鍵；第二，研究對(duì)象幾何模型復(fù)雜，部件尺寸差異較大，網(wǎng)格參數(shù)是影響數(shù)值模擬精確性的重要因素。

本文分別采用4套網(wǎng)格對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的5個(gè)狀態(tài)點(diǎn)開(kāi)展反推氣流流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。

圖5為不同網(wǎng)格量計(jì)算得到的不同狀態(tài)點(diǎn)下推力與試驗(yàn)值的相對(duì)偏差。從上述4套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果可以看出，各套網(wǎng)格計(jì)算得到的推力值與試驗(yàn)結(jié)果的偏差趨勢(shì)基本一致，總體網(wǎng)格量1000萬(wàn)計(jì)算結(jié)果較其他3套網(wǎng)格推力相對(duì)誤差更大，基本都超過(guò)5%，網(wǎng)格增加至2100萬(wàn)后，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)推力貼合最好，推力相對(duì)誤差集中在±5%左右，故采用Grid_2100萬(wàn)為本次計(jì)算網(wǎng)格。其中，推力相對(duì)誤差ε如下式：

式中：TCFD表示數(shù)值模擬計(jì)算推力；TTest表示推力試驗(yàn)值。

圖5 不同網(wǎng)格密度反推力相對(duì)誤差圖

本文在選用Grid_2100萬(wàn)網(wǎng)格的前提下選取了SST模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，分別開(kāi)展了反推狀態(tài)下的排氣系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算。

從圖6可以看出，各湍流模型計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)推力與試驗(yàn)值的偏差隨工況的變化趨勢(shì)是一致的。從圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)推力最大，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最接近。

圖6 不同湍流模型反推力相對(duì)誤差圖

3 地面效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文采用Grid_2100萬(wàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，分別選擇0.03、0.04、0.06、0.08、0.10、0.15、0.22、0.25等來(lái)流馬赫數(shù)[11]為多個(gè)穩(wěn)態(tài)瞬間進(jìn)行定常計(jì)算。計(jì)算中改遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)口為速度進(jìn)口，給定相應(yīng)的來(lái)流馬赫數(shù)，其余邊界設(shè)定保持不變。通過(guò)改變地面為固定無(wú)滑移壁面和移動(dòng)無(wú)滑移壁面(速度與遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)口相等)，分析地面效應(yīng)對(duì)反推狀態(tài)下大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)影響。選用ARP1420[12]所規(guī)定的周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)Δσ，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口AIP(aerodynamic interface plane)截面上的周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)，來(lái)評(píng)估由地面效應(yīng)引起的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)的總壓不均勻性。

為了獲取AIP截面上的畸變指數(shù)，在AIP截面上布置若干個(gè)數(shù)值測(cè)點(diǎn)，周向均勻分布的16個(gè)點(diǎn)，沿徑向布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，這10個(gè)測(cè)點(diǎn)是AIP截面上10個(gè)等環(huán)面的面積中心點(diǎn)，再加上截面中心的1個(gè)測(cè)點(diǎn)，AIP截面上共布置有161個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 AIP截面測(cè)點(diǎn)分布

3.1 固定地板和移動(dòng)地板計(jì)算結(jié)果分析

圖8為地面固定時(shí)不同來(lái)流馬赫數(shù)的反推流場(chǎng)。圖中給出了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和反推出口流線(xiàn)和地面靜壓云圖，圖中紅色線(xiàn)為流經(jīng)地面高靜壓區(qū)域流線(xiàn)(如圖中紅色標(biāo)記區(qū)域)(因本刊為黑白印刷，有疑問(wèn)之處可咨詢(xún)作者)。隨著來(lái)流馬赫數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口捕捉流管直徑逐漸減小，反推氣流區(qū)域也相應(yīng)縮減，慢慢形成較為規(guī)整的反推氣流流管。在來(lái)流Ma≥0.10時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口捕捉流管與反推流管在反推力裝置前后形成分離的兩部分，基本不再相互影響。但是在Ma數(shù)較小時(shí)，反推氣流流管影響區(qū)域直徑較大，來(lái)自反推裝置底部葉柵的反推射流在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣唇口前部區(qū)域接觸地面形成速度滯止區(qū)，即高靜壓區(qū)域。在高靜壓區(qū)附近，近地面來(lái)流與反推氣流相遇，在反推氣流和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口捕捉流管的作用下，形成向上氣流，來(lái)自地面的上升氣流(如紅色流線(xiàn)示)對(duì)捕捉流管底部產(chǎn)生影響。在滑跑速度較小時(shí)，如Ma=0.03近地面氣流被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口，隨著自由來(lái)流馬赫數(shù)的增加，反推氣流流管與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口捕捉流管直徑減小，反推氣流影響區(qū)域后移，近地面流線(xiàn)上升趨勢(shì)減弱，最終趨于一條平直流線(xiàn)帶。

圖8 不同Ma數(shù)下反推氣流擾流流線(xiàn)分布

為了進(jìn)一步說(shuō)明地面效應(yīng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)的影響，圖9分別給出Ma數(shù)分別為0.08、0.22時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面總壓恢復(fù)系數(shù)σ分布云圖。由圖可知，在來(lái)流Ma較小時(shí)通過(guò)給定地面移動(dòng)速度對(duì)由固定地面邊界層發(fā)展引起的位擾動(dòng)有抑制作用， AIP截面底部總壓損失區(qū)縮小；在Ma較大時(shí)，兩種邊界條件計(jì)算結(jié)果基本一致。由于單發(fā)反推流場(chǎng)計(jì)算中無(wú)機(jī)身、機(jī)翼等干擾，反推氣流無(wú)明顯直接再吸入現(xiàn)象，由固定地面附面層低能氣流被卷吸進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)引發(fā)的進(jìn)氣畸變，程度小，區(qū)域僅在AIP截面底部較為明顯。

圖9 不同馬赫數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面總壓恢復(fù)系數(shù)σ分布云圖

圖10分別給出了兩種地面邊界條件下AIP截面的周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)隨來(lái)流Ma數(shù)變化曲線(xiàn)，由圖可知，周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)隨相對(duì)來(lái)流Ma數(shù)減小而慢慢增大，大致呈階梯狀，與早年國(guó)外學(xué)者JOHN H P[13]與HEGEN G H等人[14]通過(guò)進(jìn)口截面溫度特征參數(shù)表示反推氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的擾動(dòng)影響結(jié)果相似。從圖中可以看出，兩種壁面邊界條件下AIP截面周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)隨來(lái)流Ma數(shù)變化趨勢(shì)雖然基本一致，但圖中線(xiàn)2整體略低于線(xiàn)1，說(shuō)明移動(dòng)地板可以達(dá)到消除固定地板邊界層發(fā)展進(jìn)氣的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口底部不均勻性。

圖10 周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)隨相對(duì)來(lái)流Ma數(shù)變化曲線(xiàn)

3.2 離地高度影響分析

在前文研究的基礎(chǔ)上，選擇相對(duì)來(lái)流Ma=0.08，地面為固定無(wú)滑移邊界，通過(guò)改變H/D大小，開(kāi)展離地高度對(duì)反推狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)影響研究。

圖11給出了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口AIP截面周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)隨H/D變化曲線(xiàn)。從圖11可以看出，畸變指數(shù)隨離地高度的降低而減小，到H/D=1.5后，畸變指數(shù)又有所增大，最后在0.004 5附近浮動(dòng)。

圖11 周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)隨H/D變化曲線(xiàn)

圖12分別給出了H/D=1.2、1.8反推流線(xiàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流線(xiàn)，地面為靜壓云圖。對(duì)比兩圖可以看出：離地高度的下降使反推氣流更早接觸地面，高靜壓區(qū)向發(fā)動(dòng)機(jī)后部移動(dòng)，反推流管影響區(qū)域減小，降低了對(duì)相對(duì)來(lái)流的卷吸作用，故H/D在1.5～20之間，畸變指數(shù)隨離地高度的降低而減小；而隨著離地高度進(jìn)一步減小，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口捕捉流管慢慢接觸地面，吸入邊界層氣體，可能造成地面渦吸入，引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)畸變，周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變?cè)龃蟆?/p>

圖12 H/D=1.2、1.8反推氣流擾流流線(xiàn)分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)反推狀態(tài)下大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展反推擾流流場(chǎng)數(shù)值模擬研究，分析地面效應(yīng)對(duì)反推狀態(tài)下大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)影響，并通過(guò)穩(wěn)態(tài)周向總壓畸變隨滑跑速度的變化直觀展現(xiàn)，為以后相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)以及大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[15]提供一定的有用信息。